[發明專利]中空多孔的硅碳@木質素碳納米球的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202110581383.6
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113299896B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 席躍賓;劉雪;孔凡功;王守娟;熊文龍;楊牧原;劉淇;崔航;張振濤
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/04;H01M10/0525;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南信達專利事務所有限公司 37100
• 代理人: 羅文曌

本發明涉及一種中空多孔的硅碳@木質素碳納米球的制備方法及其應用，屬于碳復合材料制備領域。所述制備方法包括S1.制備季銨化木質素；S2.利用季銨化木質素和由硅源不斷水解生成的二氧化硅之間的靜電作用經過水熱反應結合形成木質素?二氧化硅納米球；S3.木質素?二氧化硅納米球經碳化、鎂熱還原、酸洗后得到形狀規則、內部中空的球形硅碳@木質素碳納米球。和現有技術相比，本發明方法制備的硅碳@木質素碳納米球復合材料力學性能好、性能更加穩定，應用于鋰離子電池負極材料中，可以有效提高鋰離子電池的比容量、循環性能和倍率性能等。

技術領域

本發明公開了一種中空多孔的硅碳@木質素碳納米球的制備方法及其應用，屬于碳復合材料技術領域。

背景技術

鋰離子動力電池部分代替了傳統電池在移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等方面的使用，特別是大容量鋰離子電池已在電動汽車、人造衛星、航空航天和儲能器件等方面得到應用。然而，隨著科學技術的快速發展，人們對鋰離子電池的容量和能量密度的要求越來越高。目前，石墨類材料作為鋰離子負極已廣泛商業化，但其理論比容量只有372mAh·g^-1，遠遠達不到電子能源設備的需求，因此，還須開發更高能量密度的負極材料推進鋰離子電池廣泛應用。

硅材料的質量比容量最高可達4200mAh·g^-1，遠大于石墨材料，是目前已知能用于負極材料理論比容最高的材料。并且硅材料環境友好、儲量豐富、成本較低。但是，硅單質因極易膨脹而導致自身出現循環壽命低、持續產生SEI膜等問題。研究者們把目光轉向復合材料領域，其中碳材料具有穩定的化學性質、優良的電子傳輸能力，且成本較低的優勢，將微觀形貌易調控的碳材料(石墨、石墨烯、碳納米管和多孔碳)與硅材料進行復合，可以抑制硅材料的膨脹，并提高嵌鋰容量、循環穩定性和庫侖效率。

木質素是一種廣泛存在于植物體中的芳香性高聚物，全球每年工業木質素產量達到5000萬噸。木質素具有3D網絡結構，富含官能團，熱值高，碳含量高達50～60％，是制備硅碳復合材料的理想前驅體。工業中大多數木質素存在于造紙廢液中，主要被燃燒處理，并沒有得到合理利用，因此使用木質素作為鋰離子電池負極材料的碳源不僅具有廉價易得的優勢，而且能夠變廢為寶，有利于環境保護和資源利用。

木質素作為碳源經直接碳化或碳化活化后可轉化為硬碳或多孔碳材料并用作鋰離子電池負極材料。其中，硬模板法是比較常用的碳化活化方法，特別是利用具有較好機械強度和機械應力的納米SiO₂為硬模板劑，既能支撐木質素碳骨架，防止其縮聚和塌陷，又能作為硅源提供高比容量。但是，使用二氧化硅作為木質素的模板劑，因其表面的氫鍵作用存在容易聚集、難以分散的問題，會導致兩者難以分散均勻，極易出現團聚等問題，從而阻礙鋰離子的快速傳輸，減少嵌鋰活性位點。